大型球墨鑄鐵件特有問題的解決途徑分析
大型球墨鑄鐵件的類型比較多，如：大型柴油機缸體、大型輪轂、大球磨機端蓋、高爐冷卻壁、大型軋鋼機機架、大型注塑機模板、大型汽輪機軸承座、風(fēng)電設(shè)備中的輪轂及底座以及核電設(shè)備中的廢渣罐等。這些部件除必須滿足標準中規(guī)定的力學(xué)性能外，還有一些特殊性能要求，如風(fēng)電鑄件要求低溫沖擊韌度，核渣罐有許多附加的特殊驗收標準等等。因此，作為鑄造廠來說生產(chǎn)這些鑄件，事先必須做周密的考慮。
大型鑄件
1)首先要考慮的是如何獲得健全、致密、尺寸合格的鑄件
生產(chǎn)大型球墨鑄鐵件的技術(shù)流程與灰鑄鐵件基本相同，只要結(jié)合球墨鑄鐵的特點在縮尺的選定、砂箱設(shè)計等方面稍作修正即可。
2)其次要針對大型球墨鑄鐵件的共同特點做相應(yīng)工作
大型球墨鑄鐵件的共同特點是特別厚重，大多數(shù)要求鐵素體基體，力學(xué)性能必須滿足標準數(shù)據(jù)，有時外加低溫沖擊性能要求等。
1 大型球墨鑄鐵件生產(chǎn)的特有問題
由于大型球鐵件冷卻速度緩慢，導(dǎo)致共晶凝固期長達數(shù)小時，而在此期間要形成球鐵的主要組織，因而就出現(xiàn)了大斷面球鐵或大型球鐵件所特有的一系列問題：球墨數(shù)量少、球墨直徑大、球墨畸變、石墨漂浮、化學(xué)成分偏析、晶間碳化物以及碎塊狀石墨(Chunky Graphite)等。這些問題早已受到關(guān)注，雖形成機理尚不統(tǒng)一，但對具體問題已有了初步的解決措施。
還有一個重要問題是如何滿足和解決低溫沖擊韌度的要求?問題的巧合在于解決這兩大難題的方向及措施大致相同。
2 解決大型球墨鑄鐵件特有問題的途徑
1)強化冷卻以加速凝固
關(guān)于碎塊狀石墨的成因普遍較易接受的說法有二：一是球狀石墨破碎而引起;二是由于熱流或某些合金元素特別是Ce 和La 的偏析造成奧氏體外殼的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致球墨的生長模式改變而形成。不管哪種理論或說法，可以肯定的是，共晶階段凝固時間太長(即緩慢冷卻)是形成碎塊狀石墨的直接和客觀因素。因此不管采取什么方法，只要能縮短凝固階段的時間，都可有效地阻止碎塊狀石墨的出現(xiàn)。
也有文獻指出，球墨畸變有一個臨界冷卻速度(0.8 ℃/min)[1]。石墨畸變有時是一個突變過程，因此加速冷卻，縮短凝固時間，特別是縮短共晶階段的凝固時間，想方設(shè)法使共晶凝固階段縮短至2 h 以內(nèi)是有顯著效果的。圍繞這個原則有不少措施：強制冷卻;金屬型掛砂;使用冷鐵等等。
冷鐵的導(dǎo)熱率大，特別是蓄熱能力強，是被廣泛認為可以應(yīng)用的有力措施。石墨的導(dǎo)熱率高于掛砂冷鐵(分別為45W/m•℃及17 W/m•℃)，但它的蓄熱能力比冷鐵小，假如有強制冷卻的條件，則用石墨是比較合適的。對于大型或特大型球墨鑄鐵件，進行強制冷卻仍不失為一種有力的措施。一般可采用風(fēng)冷、霧冷或水冷裝置，甚至可采用液氮冷卻方式加速鑄件的凝固速度。有數(shù)據(jù)表明，20 t 級球墨鑄鐵乏料容器鑄件凝固時，其傳熱效果為：金屬型吸熱占58%、石墨及砂型(型芯部分)吸熱占3.5%、砂型及其它裝置部分吸熱占3.5%、水冷導(dǎo)熱占3.5%。由此可見，金屬型可使鑄件50%以上的熱量傳導(dǎo)出去，而型芯部分傳熱很少，顯然強制冷卻是必要的。
2)改進工藝技術(shù)
(1)精心選擇原材料
為了生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)大型球墨鑄鐵件，無論怎樣精選爐料都是值得的。原料的干擾元素應(yīng)盡可能低，特別要注意的是生鐵來源、廢鋼品種、增碳劑的選用。
(2)化學(xué)成分設(shè)計
CE 不能過高(4.2%～4.3%)，如w(C)選3.6%～ 3.7% ，w(Si)則必須低至1.8% ～2.0% ;另外，w(Mn)<0.3%，w(P)、w(S)也要嚴格限制。除殊殊情況外，一般不用合金，因而必須嚴格挑選廢鋼。
w(Si)低是必須做到的，否則易出現(xiàn)碎塊狀石墨，低溫性能也會達不到要求，問題就出在又要w(Si)低，又要不出現(xiàn)因w(Si)低而產(chǎn)生的弊病。日本百噸級乏燃料容器成分為：w(C) 3.6%，w(Si) 2.01%，w(Mn) 0.27%，w(P) 0.025%，w(S) 0.004%，w(Ni) 0.78%，w(Mg) 0.065%。
(3)選擇雙聯(lián)熔煉
雙聯(lián)熔煉能充分發(fā)揮沖天爐鐵液成核能力強、電爐熱效率高的特點。鐵液必須高溫出爐，有條件時可脫S，在電爐內(nèi)的時間不要太長。根據(jù)情況決定球化溫度，不能太高亦不能太低。
筆者主張大型件球化處理不要用沖入法，因為時間太長。至少用蓋包法，最好用特色法或喂絲法，在固定地方喂絲，甚至可連同喂孕育絲。球化劑千萬不要用常用的，最好重稀土球化劑和輕稀土球化劑混合使用。如采用沖入法，球化劑中w(Mg) 6%，w(RE) 1.0%～ 1.5%就可以了;如生鐵較純，w(RE) 0.5%～1.0%亦可。如采用喂絲法，可用高w(Mg)量的球化劑，但w(RE)要低，稍含些Ca 即可。
澆注溫度要合適(1300～1350 ℃)，不要太高，否則液態(tài)收縮太大;宜采用分散內(nèi)澆道中速澆注，盡可能用高剛度鑄型以充分利用石墨化膨脹進行球墨鑄鐵的自補縮，減輕冒口負擔(dān)，確保鑄件內(nèi)部致密。
大型鑄件
1)首先要考慮的是如何獲得健全、致密、尺寸合格的鑄件
生產(chǎn)大型球墨鑄鐵件的技術(shù)流程與灰鑄鐵件基本相同，只要結(jié)合球墨鑄鐵的特點在縮尺的選定、砂箱設(shè)計等方面稍作修正即可。
2)其次要針對大型球墨鑄鐵件的共同特點做相應(yīng)工作
大型球墨鑄鐵件的共同特點是特別厚重，大多數(shù)要求鐵素體基體，力學(xué)性能必須滿足標準數(shù)據(jù)，有時外加低溫沖擊性能要求等。
1 大型球墨鑄鐵件生產(chǎn)的特有問題
由于大型球鐵件冷卻速度緩慢，導(dǎo)致共晶凝固期長達數(shù)小時，而在此期間要形成球鐵的主要組織，因而就出現(xiàn)了大斷面球鐵或大型球鐵件所特有的一系列問題：球墨數(shù)量少、球墨直徑大、球墨畸變、石墨漂浮、化學(xué)成分偏析、晶間碳化物以及碎塊狀石墨(Chunky Graphite)等。這些問題早已受到關(guān)注，雖形成機理尚不統(tǒng)一，但對具體問題已有了初步的解決措施。
還有一個重要問題是如何滿足和解決低溫沖擊韌度的要求?問題的巧合在于解決這兩大難題的方向及措施大致相同。
2 解決大型球墨鑄鐵件特有問題的途徑
1)強化冷卻以加速凝固
關(guān)于碎塊狀石墨的成因普遍較易接受的說法有二：一是球狀石墨破碎而引起;二是由于熱流或某些合金元素特別是Ce 和La 的偏析造成奧氏體外殼的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致球墨的生長模式改變而形成。不管哪種理論或說法，可以肯定的是，共晶階段凝固時間太長(即緩慢冷卻)是形成碎塊狀石墨的直接和客觀因素。因此不管采取什么方法，只要能縮短凝固階段的時間，都可有效地阻止碎塊狀石墨的出現(xiàn)。
也有文獻指出，球墨畸變有一個臨界冷卻速度(0.8 ℃/min)[1]。石墨畸變有時是一個突變過程，因此加速冷卻，縮短凝固時間，特別是縮短共晶階段的凝固時間，想方設(shè)法使共晶凝固階段縮短至2 h 以內(nèi)是有顯著效果的。圍繞這個原則有不少措施：強制冷卻;金屬型掛砂;使用冷鐵等等。
冷鐵的導(dǎo)熱率大，特別是蓄熱能力強，是被廣泛認為可以應(yīng)用的有力措施。石墨的導(dǎo)熱率高于掛砂冷鐵(分別為45W/m•℃及17 W/m•℃)，但它的蓄熱能力比冷鐵小，假如有強制冷卻的條件，則用石墨是比較合適的。對于大型或特大型球墨鑄鐵件，進行強制冷卻仍不失為一種有力的措施。一般可采用風(fēng)冷、霧冷或水冷裝置，甚至可采用液氮冷卻方式加速鑄件的凝固速度。有數(shù)據(jù)表明，20 t 級球墨鑄鐵乏料容器鑄件凝固時，其傳熱效果為：金屬型吸熱占58%、石墨及砂型(型芯部分)吸熱占3.5%、砂型及其它裝置部分吸熱占3.5%、水冷導(dǎo)熱占3.5%。由此可見，金屬型可使鑄件50%以上的熱量傳導(dǎo)出去，而型芯部分傳熱很少，顯然強制冷卻是必要的。
2)改進工藝技術(shù)
(1)精心選擇原材料
為了生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)大型球墨鑄鐵件，無論怎樣精選爐料都是值得的。原料的干擾元素應(yīng)盡可能低，特別要注意的是生鐵來源、廢鋼品種、增碳劑的選用。
(2)化學(xué)成分設(shè)計
CE 不能過高(4.2%～4.3%)，如w(C)選3.6%～ 3.7% ，w(Si)則必須低至1.8% ～2.0% ;另外，w(Mn)<0.3%，w(P)、w(S)也要嚴格限制。除殊殊情況外，一般不用合金，因而必須嚴格挑選廢鋼。
w(Si)低是必須做到的，否則易出現(xiàn)碎塊狀石墨，低溫性能也會達不到要求，問題就出在又要w(Si)低，又要不出現(xiàn)因w(Si)低而產(chǎn)生的弊病。日本百噸級乏燃料容器成分為：w(C) 3.6%，w(Si) 2.01%，w(Mn) 0.27%，w(P) 0.025%，w(S) 0.004%，w(Ni) 0.78%，w(Mg) 0.065%。
(3)選擇雙聯(lián)熔煉
雙聯(lián)熔煉能充分發(fā)揮沖天爐鐵液成核能力強、電爐熱效率高的特點。鐵液必須高溫出爐，有條件時可脫S，在電爐內(nèi)的時間不要太長。根據(jù)情況決定球化溫度，不能太高亦不能太低。
筆者主張大型件球化處理不要用沖入法，因為時間太長。至少用蓋包法，最好用特色法或喂絲法，在固定地方喂絲，甚至可連同喂孕育絲。球化劑千萬不要用常用的，最好重稀土球化劑和輕稀土球化劑混合使用。如采用沖入法，球化劑中w(Mg) 6%，w(RE) 1.0%～ 1.5%就可以了;如生鐵較純，w(RE) 0.5%～1.0%亦可。如采用喂絲法，可用高w(Mg)量的球化劑，但w(RE)要低，稍含些Ca 即可。
澆注溫度要合適(1300～1350 ℃)，不要太高，否則液態(tài)收縮太大;宜采用分散內(nèi)澆道中速澆注，盡可能用高剛度鑄型以充分利用石墨化膨脹進行球墨鑄鐵的自補縮，減輕冒口負擔(dān)，確保鑄件內(nèi)部致密。
